Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7的磁致磁相变及其薄膜交换偏置效应的研究

摘要

磁性材料作为最古老的功能材料之一，在当今科技有着广泛的应用价值，例如，对电子、电子工业、国防建设的发展和人们日常生活水平的提高都有着巨大的影响。钙钛矿锰氧化物因其独特的电荷轨道有序、结构相分离、各向异性和电输运性质等丰富的物理现象而受到人们的广泛关注，尤其是其中的电荷/轨道有序成为近年来关注的焦点。在这类材料中，在低温以及应用磁场条件下，由电荷/轨道有序诱发的磁相变可以实现反铁磁电荷轨道有序绝缘相到铁磁金属相的转变，其中还伴随着低磁场下，该类相分离材料中铁磁成分的增加来实现。同时，处于相分离态的单一LaxSr1-xO3层由于具有比奈尔温度TN高的居里温度TC;因此可以被看成为最简单的交换偏置系统。因此，本文选取了双层钙钛矿锰氧化物Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7(PSCMO)，研究了外加磁场对该材料磁特性的影响以及该材料薄膜中的交换偏置现象;为进一步研究宏观调控该材料中的交换偏置效应提供了实验数据以及理论指导。
　　本研究主要内容包括：⑴采用溶胶-凝胶法成功的合成了单相的双层钙钛矿锰氧化物Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7块材，由XRD分析可知，该样品结构为空间群为Am2m的正交结构。在无外加磁场的作用时，该样品低温下呈现出了反铁磁相为主类团簇玻璃态，冻结温度为41K;其电阻呈现出了半导体或绝缘特性。而在低温3K的M-H测量中发现，当外加磁场增加到5.7T时，磁化强度产生了一个很明显的磁跳变现象;进一步对该材料进行低温磁特性的研究中发现，随着低温5K下外加3和5T磁场的应用，该块材在该温度下的磁化强度逐渐增加到磁场应用前的5倍与28倍;而低温5K下经过7T外加磁场的应用后，其磁化强度增加到了150倍;由此可见，外加5.7T磁场诱发磁跳变的主要原因是在该材料中产生了反铁磁为主的团簇玻璃态向铁磁相为主的磁相变。⑵运用KrF激光通过脉冲激光沉积技术(PLD)，在Pt/Ti/SiO2/Si基底上成功的合成了PSCMO薄膜，采用X射线衍射仪和扫描电子显微镜来表征PSCMO薄膜的微观结构。实验结果表明，薄膜为单相的多晶PSCMO薄膜，并且薄膜是垂直于表面呈柱状生长的，而且厚度为900nm。同时，带不同磁场降温后，在5K时测量了该薄膜材料的M-H曲线，进一步研究了该薄膜材料带场下的交换偏置效应。发现该薄膜在带场下测得的交换偏置是关于y轴对称的上下移动的交换偏置，2000Oe外加磁场下，5K处得到的交换偏置达到:3.0×10-6emu，并且这种交换偏置随着磁场的增加而逐渐增大;而随着温度升高，交换偏置逐渐减少，在60K以后逐渐消失。结合PSCMO材料块材的磁特性的研究，我们推断出该薄膜内，铁磁相与反铁磁相共存，以及两相在薄膜中的含量是该薄膜样品产生交换偏置的主要原因。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 钙钛矿锰氧化物简介

1．1．1 钙钛矿锰氧化物的研究现状及发展

1．1．2 钙钛矿锰氧化物的晶体结构

1．2 双层钙钛矿锰氧化物

1．2．1 双层钙钛矿锰氧化物的晶体结构

1．2．2 双层钙钛矿的研究现状

1．3 交换偏置效应

1．3．1 交换偏置现象

1．3．2 薄膜体系交换偏置的研究进展

1．3．3 纳米体系交换偏置的研究进展

1．3．4 锰氧化物交换偏置的研究进展

2 薄膜的制备过程及表征设备介绍

2．1 脉冲激光沉积法制备薄膜的过程介绍

2．1．1 脉冲激光沉积介绍

2．1．2 PSCMO薄膜的制备过程介绍

2．2 晶体结构及微观形貌的表征方法

2．2．1 晶体结构的表征方法

2．2．2 微观形貌的表征方法

2．3 磁性测试系统

2．3．1 振动样品磁强计选件(Vibrating Sample Magnetometer简称VSM)

2．3．2 交流磁化率选件(AC Magnetometry System，简称ACMS)

2．3．3 电输运测量选件：直流电阻率(DC Resistivity)

3 PSCMO块材的磁场诱发磁相变

3．1 PSCMO块材的制备和表征

3．1．1 引言

3．1．2 PSCMO块材的制备

3．1．3 PSCMO块材的XRD表征

3．2 块材的磁学性能和电阻测量

3．2．1 块材的磁学性能表征

3．2．2 块材的电阻测量值

3．2．3 PSCMO的磁致磁相变

3．3 本章小结

4 PSCMO薄膜的制备和表征

4．1 PSCMO薄膜的制备和表征

4．1．1 PSCMO薄膜的制备

4．1．2 PSCMO薄膜的表征

4．2 PSCMO薄膜的磁性测量

4．2．1 薄膜的室温磁学特性测量

4．2．2 薄膜低温带场下的交换偏置效应

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 论文总结

5．2 展望和建议

参考文献

致谢

攻读学位期间取得的科研成果清单